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量化

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量化

量化是一种通过使用低精度数据类型（如 8 位整数 (int8) 而不是通常的 32 位浮点数 (float32) 来表示权重和激活来减少运行推理的计算和内存成本的技术。

减少位数意味着生成的模型需要更少的内存存储，消耗更少的能量（理论上），并且矩阵乘法等操作可以使用整数算术运算更快地执行。它还允许在嵌入式设备上运行模型，这些设备有时只支持整数数据类型。

理论

量化的基本原理非常简单：从权重和激活的高精度表示（通常是常规的 32 位浮点数）到更低精度的的数据类型。最常见的低精度数据类型是

  • float16，累积数据类型 float16
  • bfloat16，累积数据类型 float32
  • int16，累积数据类型 int32
  • int8，累积数据类型 int32

累积数据类型指定了对所讨论数据类型的值进行累积（加、乘等）的结果的类型。例如，让我们考虑两个 int8 值 A = 127，B = 127，并将 C 定义为 A 和 B 的总和

C = A + B

这里，结果远大于 int8 中可表示的最大值 127。因此，需要使用更大精度的数据类型来避免巨大的精度损失，这会导致整个量化过程失效。

量化

两种最常见的量化情况是 float32 -> float16 和 float32 -> int8。

量化为 float16

执行量化从 float32 转换为 float16 相当简单，因为两种数据类型都遵循相同的表示方案。在将操作量化为 float16 时，您需要问自己的问题是

  • 我的操作是否有 float16 实现？
  • 我的硬件是否支持 float16？例如，英特尔 CPU 一直支持 float16 作为存储类型，但计算是在转换为 float32 后进行的。完整的支持将在 Cooper Lake 和 Sapphire Rapids 中实现。
  • 我的操作是否对较低精度敏感？例如，LayerNorm 中 epsilon 的值通常非常小（约 1e-12），但 float16 中可表示的最小值约为 6e-5，这会导致 NaN 问题。对大值也是如此。

量化为 int8

执行量化从 float32 转换为 int8 更为棘手。int8 中只能表示 256 个值，而 float32 可以表示非常广泛的值范围。关键在于找到最佳方法将我们 float32 值的范围 [a, b] 投影到 int8 空间。

让我们考虑一个范围 [a, b] 中的浮点数 x，然后我们可以写出以下量化方案，也称为仿射量化方案

x = S * (x_q - Z)

其中

  • x_q 是与 x 关联的量化 int8 值
  • S 和 Z 是量化参数
    • S 是比例，是一个正的 float32 值
    • Z 称为零点，它是对应于 float32 域中的值 0 的 int8 值。这对于准确地表示值 0 至关重要，因为 0 在整个机器学习模型中都被使用。

[a, b] 中 x 的量化值 x_q 可以按如下方式计算

x_q = round(x/S + Z)

float32 值超出 [a, b] 范围的值将被剪裁到最接近的可表示值，因此对于任何浮点数 x

x_q = clip(round(x/S + Z), round(a/S + Z), round(b/S + Z))

通常 round(a/S + Z) 对应于所考虑数据类型中最小的可表示值，而 round(b/S + Z) 对应于最大的可表示值。但是，这可能会有所不同，例如，当使用对称量化方案时，您将在下一段中看到这一点。

对称量化方案和仿射量化方案

上面的等式被称为仿射量化方案，因为从 [a, b] 到 int8 的映射是一个仿射映射。

此方案的一个常见特例是对称量化方案，其中我们考虑一个对称的浮点值范围 [-a, a]。在这种情况下，整数空间通常是 [-127, 127]，这意味着 -128 被从常规的 [-128, 127] 有符号 int8 范围内排除。原因是拥有一个对称范围允许 Z = 0。虽然 256 个可表示值中的一个值丢失了，但它可以提供加速，因为许多加法运算可以跳过。

注意：要了解量化参数S和Z是如何计算的，你可以阅读用于高效整数运算推理的神经网络量化和训练论文，或Lei Mao的博客文章，内容涉及该主题。

张量级和通道级量化

根据你所针对的精度/延迟权衡，你可以使用量化参数的粒度进行调整。

  • 量化参数可以在张量级基础上计算，这意味着每个张量将使用一对(S, Z)。
  • 量化参数可以在通道级基础上计算，这意味着可以为张量维度上的一个元素存储一对(S, Z)。例如，对于形状为[N, C, H, W]的张量，对第二维进行通道级量化将导致拥有C对(S, Z)。虽然这可以获得更好的精度，但它需要更多的内存。

校准

以上部分描述了如何将float32量化为int8，但还有一个问题：float32值的[a, b]范围是如何确定的？这就是校准发挥作用的地方。

校准是量化过程中计算float32范围的步骤。对于权重来说，这很容易，因为实际范围在量化时是已知的。但对于激活来说就不那么清楚了，而且存在不同的方法。

  1. 训练后动态量化：每个激活的范围在运行时动态计算。虽然这在无需太多工作的情况下就能取得很好的效果，但由于每次计算范围都需要额外的开销，因此它可能比静态量化慢一些。在某些硬件上，它也不是一个选项。
  2. 训练后静态量化：每个激活的范围在量化时提前计算，通常是通过将代表性数据传递给模型并记录激活值来完成。在实践中，步骤如下：
    1. 在激活上放置观察器以记录其值。
    2. 在校准数据集上进行一定数量的前向传递（大约200个示例就足够了）。
    3. 根据某些校准技术计算每个计算的范围。
  3. 量化感知训练：每个激活的范围在训练时计算，遵循与训练后静态量化相同的思路。但使用“伪量化”操作符代替观察器：它们记录值的方式与观察器相同，但它们还模拟量化带来的误差，让模型适应它。

对于训练后静态量化和量化感知训练，都需要定义校准技术，最常见的技术有：

  • 最小值-最大值：计算出的范围是[观察到的最小值，观察到的最大值]，这对权重非常有效。
  • 移动平均最小值-最大值：计算出的范围是[观察到的移动平均最小值，观察到的移动平均最大值]，这对激活非常有效。
  • 直方图：记录值的直方图以及最小值和最大值，然后根据某些标准进行选择。
    • 熵：范围被计算为最小化全精度数据和量化数据之间误差的范围。
    • 均方误差：范围被计算为最小化全精度数据和量化数据之间均方误差的范围。
    • 百分位数：范围是使用给定的百分位数值p在观察值上计算得出的。这样做是为了尝试将p%的观察值包含在计算出的范围内。虽然在进行仿射量化时可以实现这一点，但在进行对称量化时并不总是能够完全匹配。你可以查看ONNX Runtime中的实现方式，以了解更多细节。

将模型量化为 int8 的实践步骤

要有效地将模型量化为int8，需要遵循以下步骤：

  1. 选择要量化的操作符。值得量化的操作符是那些在计算时间方面占主导地位的操作符，例如线性投影和矩阵乘法。
  2. 尝试训练后动态量化，如果速度足够快，则停止在此处，否则继续执行步骤 3。
  3. 尝试训练后静态量化，它可能比动态量化更快，但通常会降低精度。在要量化的位置对模型应用观察器。
  4. 选择一种校准技术并执行。
  5. 将模型转换为其量化形式：删除观察器并将float32操作符转换为其int8对应项。
  6. 评估量化模型：精度是否足够好？如果是，则停止在此处，否则从步骤 3 重新开始，但这次使用量化感知训练。

🤗 Optimum 中支持的量化工具

🤗 Optimum 提供 API，使用不同的工具针对不同的目标执行量化。

  • optimum.onnxruntime 包允许使用 ONNX Runtime 工具量化和运行 ONNX 模型。
  • optimum.intel 包能够在尊重精度和延迟约束的情况下量化 🤗 Transformers 模型。
  • optimum.fx 包提供了围绕PyTorch 量化函数 的包装器，以允许在 PyTorch 中对 🤗 Transformers 模型进行图形模式量化。与上面提到的两个相比，这是一个更低级的 API，它提供了更大的灵活性，但需要你付出更多努力。
  • optimum.gptq 包允许使用 GPTQ量化和运行 LLM 模型。

进一步了解：机器如何表示数字？

这部分内容对于理解其他部分并不重要。它简要解释了计算机中数字的表示方式。由于量化是将一种表示形式转换为另一种表示形式，因此了解一些基础知识可能会有所帮助，但这绝对不是必须的。

计算机中最基本的数据表示单位是位。计算机中的所有内容，包括数字，都以位序列的形式表示。但表示形式取决于要表示的数字是整数还是实数。

整数表示

整数通常用以下位长表示：8、16、32、64。在表示整数时，要考虑两种情况：

  1. 无符号（正）整数：它们简单地表示为一系列位。每个位对应一个二的幂（从0到n-1，其中n是位长），所得数字是这些二的幂的总和。

例如：19表示为无符号 int8 为00010011，因为

19 = 0 x 2^7 + 0 x 2^6 + 0 x 2^5 + 1 x 2^4 + 0 x 2^3 + 0 x 2^2 + 1 x 2^1 + 1 x 2^0
  1. 有符号整数：表示有符号整数并不那么简单，存在多种方法，最常见的是二进制补码。有关更多信息，您可以查看Wikipedia 页面上的主题。

实数表示

实数通常使用以下位长表示：16、32、64。表示实数的两种主要方法是

  1. 定点：为表示整数部分和小数部分保留了固定数量的位。
  2. 浮点：表示整数部分和小数部分的位数可以变化。

浮点表示可以表示更大的值范围，这是我们将重点介绍的表示方法，因为它是最常用的。浮点表示包含三个组成部分

  1. 符号位：它是指定数字符号的位。
  2. 指数部分
  • float16 中有 5 位
  • bfloat16 中有 8 位
  • float32 中有 8 位
  • float64 中有 11 位
  1. 尾数
  • float16 中有 11 位（显式存储 10 位）
  • bfloat16 中有 8 位（显式存储 7 位）
  • float32 中有 24 位（显式存储 23 位）
  • float64 中有 53 位（显式存储 52 位）

有关每种数据类型的位分配的更多信息，请查看 Wikipedia 页面上关于bfloat16 浮点格式的精美插图。

对于实数x，我们有

x = sign x mantissa x (2^exponent)

参考文献

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